CN203295674U - 一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，主要包括电机支架、高速电机、联轴器、旋转体、连续供料装置、红外温度传感器、输送带辊子组、电磁加热器、辊子轴承座、旋转体轴承、纺丝箱体、运输帘布、滚压装置、收卷装置，电机支架固定在纺丝箱体下仓用于固定高速电机，高速电机通过联轴器和旋转体轴承带动旋转体高速旋转，连续供料装置固定在纺丝箱体顶端，出料口以偏心的方式置于旋转体上端并保持微小间距，结合流体微分结构及强化的流体减薄锥面，实现了对不同粘度流体的减薄程度和离心力的控制，同时连续供料装置、间接加热装置及连续收卷装置都为溶液或熔体的批量化纳米纤维制备提供了简单高效的解决途径。

Description

一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，属于纺丝成型领域。 

背景技术

随着纳米技术的快速发展，对于批量制备纳米纤维的装置及工艺的需求愈来愈迫切，应用研究越来越繁荣。研究者提出了模板法、自组装法、相分离法、静电纺丝法等几种纳米纤维制备的方法和工艺，其中静电纺丝法由于其简易的设备和制备工艺备受关注，并逐渐发展出了批量化设备，但是溶液静电纺丝法的效率及纤维强度仍有待提高，熔体静电纺丝批量化技术仍处于发展和完善阶段，而其他方法处于实验室水平，批量化制备较难。 

近期人们又将目光转向了传统的离心纺丝技术，即将某些聚合物熔体借助高速旋转的装置所产生的离心力和剪切力由细孔甩出而成纤的方法。早在1972年，美国专利“Centrifugal spinning device”(专利号3696904)就提出了以离心方式制造纤维的方法；1986年欧洲专利EP-A-168817指出在离心纺丝中，离心作为充当压力泵的作用，物料熔体被挤压通过孔洞，形成纤维；在此之后美国、欧洲有大量专利对离心纺丝方法进行了改进描述，美国专利2008年“Method of producing carbon nanomaterials and centrifugal melt spinning apparatus”(US20080050304a1)提出了利用离心方法制备纳米级碳纤维的构想；中国科学院长春应化所专利“熔体溶液离心纺丝制备非织造物的装置”（20071030660.2）提出一种利用带孔环的隔片，引导出多根丝的离心纺丝技术；2012年中国专利公开了水平盘式旋转离心纺丝法（CN102373513A），提出通过旋转盘离心作用，铺展于盘面的熔体膜逐渐变薄直至破裂，最终变成细丝冷凝成纤维，这些专利大部分提出的装置及工艺只能制备出微米级纤维，水平盘式纺丝装置熔体破裂具有随机性，可控性差，熔体膜厚不易控制。 

近期美国专利“Method and apparatus making superfine fibers”(20090280325A1)提出一系列制备超细纤维的离心纺丝设备，并通过专利US20090280207 A1、US20090269429 A1、US20090232920 A1描述了装置所用喷丝头的结构和使用方式，提出的喷头都是通过多个微孔实现纺丝的量化，微孔加工和安装都有一定的复杂性。基于上述专利及配套喷头的系列专利的提出，Rieter OFT公司与德国一家研究所共同开发了一种称为“Forcespinning^TM”的离心纺丝装置，并通过文章“Electrospinning to forcespinning”对其装置和工艺进行了描述。目前离心纺丝设备的产量每分钟每孔可达1g，效率已经很可观，制备的纤维细度在300nm左右，纤维分布较窄。 

尽管如此，上述提出的喷头都是通过多个微孔实现纺丝的量化和细化，水平盘式存在纤维粗细不均一、流体层较厚的问题，要进一步提高产量获得更细的纤维，必须通过更多更细的微孔加工和更快的旋转速度相配合，带来了加工的复杂性和旋转速度提升引起的能耗和安全问题。 

发明内容

本实用新型提出了一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，通过对旋转结构上锥面的设计，使得旋转结构上的熔体或溶液的减薄和离心力更加可控，梳齿状熔体或溶液分流结构使得熔体破裂更加均匀一致；其中扇叶结构在高速旋转下形成高速气流，使得形成的纤维得到进一步拉伸并快速附着于接收部位；周向或双侧面连续运输辊子可以满足纤维的连续接收；电磁加热系统和红外温度检测装置的配合可以在不影响旋转结构的情况下实现对熔体或溶液的精确控温；通过偏心安置的外部螺杆挤出或者泵体的连续间接供料可以使该装置实现纳米纤维的连续制备。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，主要包括电机支架、高速电机、联轴器、旋转体、连续供料装置、红外温度传感器、输送带辊子组、电磁加热器、辊子轴承座、旋转体轴承、纺丝箱体、运输帘布、滚压装置、收卷装置，其中电机支架固定在纺丝箱体下仓用于固定高速电机，高速电机通过联轴器和旋转体轴承带动旋转体高速旋转，连续供料装置固定在纺丝箱体顶端，出料口以偏心的方式置于旋转体上端并保持微小间距，红外温度传感器固定连接在连续供料装置上，电磁加热器围绕旋转体并保持一定间隙固定在纺丝箱体上，输送带辊子组通过辊子轴承座周向安置在纺丝箱体上，在辊子组上包覆运输帘布，在纺丝箱体上部开一个狭缝，在狭缝外安装收卷装置。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其中高速电机是指旋转速度在5000-20000r/min的高速电机，可以是变频调速电机或者是高速步进电机，具有电机发热制冷装置及过热停机的安全措施。

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其中旋转体通过和电机输出轴连接达到高速旋转，旋转体上端中心设置一圆平面，接收连续供给的熔体或溶液，旋转体圆周方向设置锥面，锥面角度θ在5°— 60°的范围内可更换或调节，离心力通过锥角作用分解为沿着锥面的切向力和垂直于锥面的附着力，锥面角度θ值越大，离心作用减弱，附着力增强，表现为增强的熔体减薄作用，因此适当地增加θ和电机转速，可以实现更细纤维的制备；可以根据流体供给速度和粘度设置不同的锥面角度θ，以获得最佳的流体薄厚程度；在锥面末端均匀分布齿状的沟槽，实现对减薄熔体的微分；特别的是，在锥面末端的齿状沟槽可以按照高速旋转下边缘熔体或溶液流动方向进行设置，为了提高产量，该旋转体可以采用互有层叠的扇叶结构，并在扇叶末端做齿状或者沟槽状的导流结构，实现流体分流。这种内锥面开放式旋转体结构摒弃了超细多孔纺丝结构的加工，不但有助于减少加工成本，提高产量，其开放的空间还有助于过少料的清理与降低旋转体的维护难度。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其中输送带辊子组可以围绕旋转体均匀安装在纺丝箱体内，在辊子组上套装运输帘布，在纺丝箱体开口的一端，覆盖在运输帘布上面的纳米纤维缠绕到收卷辊子上，这样可实现纤维的连续接收收卷。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其中输送带辊子组可以是安置在旋转体左右两侧的单侧或双侧接收辊子，在辊子组上套装运输帘布，利用圆弧板设置静电电场力或在圆弧空间设置真空吸附使得纤维吸附在运输帘布上。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其中连续供料装置通过螺杆输送或者其他连续泵送装置将熔体或溶液连续供给于旋转体，连续供料装置末端出料口和旋转体中心保持一偏心距e（e>0），可以让料流体快速获得离心力作用和较大的初速度，利于纺丝效率的提高。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，为了实现对纺丝熔体或溶液的连续可控加热，使用电磁加热器对旋转体进行间接加热，其中设置于旋转体顶端和连续料装置固连的红外温度传感器和电磁加热器配合实现对旋转体表面的闭环精确温控。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，纺丝箱体具有进气及排气口，通过高温气流实现对纺丝环境的温度控制，在纺丝箱体狭缝处设置密封件，尽量保证纺丝箱体温湿度恒定。 

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置结合流体微分结构及强化的流体减薄锥面，在不添加多个超细纺丝孔结构的前提下，通过旋转体锥面θ及中心距e的设置，实现了对不同粘度流体的减薄程度和离心力的控制，实现了溶液或熔体的纳米纤维连续化离心纺丝，同时连续供料装置、间接加热装置及连续收卷装置都为溶液或熔体的批量化的离心力法批量制备纳米纤维提供了简单高效的解决途径。 

附图说明

图1是本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置的剖视示意图。 

图2是图1所示的A-A方向剖面示意图。 

图3是图1所示的A-A方向的另一种连续接收方式表达的示意图。 

图4是本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置其中带齿状沟槽旋转体的等轴测图示意图。 

图5是本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置其中带扇叶旋转体的等轴测图示意图。 

图6是图1中I 部分的局部放大示意图。 

图中：1-电机支架；2-高速电机；3-联轴器；4-旋转体；5-连续供料装置；6-红外温度传感器；7-输送带辊子组；8-纤维；9-电磁加热器；10-辊子轴承座；11-旋转体轴承；12-纺丝箱体；13-运输帘布；14-收卷装置；15-齿状沟槽；16扇叶；17-滚压装置；18-高压电极板。 

具体实施方式

本实用新型一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，如图1所示，主要包括电机支架1、高速电机2、联轴器3、旋转体4、连续供料装置5、红外温度传感器6、输送带辊子组7、电磁加热器9、辊子轴承座10、旋转体轴承11、纺丝箱体12、运输帘布13、滚压装置17、收卷装置14，其中电机支架1固定在纺丝箱体12下部用于固定高速电机2，高速电机2通过联轴器3和旋转体轴承11带动旋转体4高速旋转，连续供料装置5固定在纺丝箱体12顶端，出料口以偏心的方式置于旋转体4上端并保持微小间距，红外温度传感器6固定连接在连续供料装置5上，电磁加热器9围绕旋转体4并保持一定间隙固定在纺丝箱体上，输送带辊子组7通过辊子轴承座10周向安置在纺丝箱体12上，在输送辊子组7上包覆运输帘布13，在纺丝箱体上部开一个狭缝，在狭缝外安装收卷装置14，在收卷辊子之前设置滚压装置17起到对纤维膜的滚压处理。 

一个实施例如图1、2、4、6所示，高速电机在5000r/min下带动旋转体4高速转动，利用小型螺杆挤出机以5kg/h为旋转体连续供给低粘度聚丙烯熔体，聚丙烯熔体流动指数为1500g/10min，使用带齿状沟槽15的旋转体4，旋转体4外径为80mm，微分导流齿状沟槽15为0.5mm宽，槽间距为1.5mm，电磁加热器9调定加热温度为220℃，经过1min的连续制备可在收卷装置14上得到30m长，单位克重为5g/㎡的纳米纤维8，经检测部分纤维直径可达纳米级。 

另一个实施例如图1、3、5、6所示，高速电机在8000r/min下带动扇叶16状的旋转体4高速转动，利用小型螺杆挤出机以1kg/h为旋转体连续供给低粘度聚丙烯熔体，聚丙烯熔体流动指数为2000g/10min，其中旋转体4扇叶16数十六个，电磁加热器9调定加热温度为240℃，当各参数达到设定参数值后，高压电极板18加载50kv正级静电压，密集的纤维束在离心力及静电场的复合作用下甩向两侧的连续接收的收卷装置14，收卷装置设定速度150r/min，3min后在收卷辊子上获得50g的纳米纤维8，所得纤维直径可达到纳米级。 

Claims (9)

1.一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：主要包括电机支架、高速电机、联轴器、旋转体、连续供料装置、红外温度传感器、输送带辊子组、电磁加热器、辊子轴承座、旋转体轴承、纺丝箱体、运输帘布、滚压装置、收卷装置，其中电机支架固定在纺丝箱体下仓用于固定高速电机，高速电机通过联轴器和旋转体轴承带动旋转体高速旋转，连续供料装置固定在纺丝箱体顶端，出料口以偏心的方式置于旋转体上端并保持微小间距，红外温度传感器固定连接在连续供料装置上，电磁加热器围绕旋转体并保持一定间隙固定在纺丝箱体上，输送带辊子组通过辊子轴承座周向安置在纺丝箱体上，在辊子组上包覆运输帘布，在纺丝箱体上部开一个狭缝，在狭缝外安装收卷装置。

2.根据权利要求1所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：高速电机可以是变频调速电机或者是高速步进电机，高速电机具有发热制冷装置及过热停机的安全措施。

3.根据权利要求1所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：旋转体通过和高速电机输出轴连接达到高速旋转，旋转体上端中心设置一圆平面，接收连续供给的熔体或溶液，旋转体圆周方向设置锥面。

4.根据权利要求3所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：旋转体圆周方向设置锥面，在锥面末端均匀分布齿状的沟槽。

5.根据权利要求1所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：旋转体采用互有层叠的扇叶结构，并在扇叶末端做齿状或者沟槽状的导流结构。

6.根据权利要求1所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：输送带辊子组可以围绕旋转体均匀安装在纺丝箱体内，在辊子组上套装运输帘布，在纺丝箱体开口的一端，覆盖在运输帘布上面的纳米纤维缠绕到收卷辊子上，实现纤维的连续接收收卷。

7.根据权利要求1所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：输送带辊子组为安置在旋转体左右两侧的单侧或双侧接收辊子，在辊子组上套装运输帘布，利用圆弧板设置静电电场力或在圆弧空间设置真空吸附使得纤维吸附在运输帘布上。

8.根据权利要求1所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：连续供料装置通过螺杆输送或者连续泵送装置将熔体或溶液连续供给于旋转体，连续供料装置末端出料口和旋转体中心保持一偏心距。

9.根据权利要求1所述的一种微分分流离心纺丝法制备纳米纤维的装置，其特征在于：纺丝箱体具有进气及排气口，通过高温气流实现对纺丝环境的温度控制，在纺丝箱体狭缝处设置密封件。

Images